Charakterisierung der Festigkeitssteigerung von Rührreibschweißungen an 6005A-T6 durch Wärmenachbehandlungen

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Rührreibschweißungen an 6xxx-Aluminiumlegierungen, welche durch eine Warmauslagerung nach dem Schweißen erzielt werden kann. Rührreibschweißen stellt neben Schmelzschweißen eine mit vielen Vorteilen verbundene Möglichkeit dar, um Schweißbaugruppen im Schienenfahrzeugbau in Aluminiumbauweise zu fügen. Die dabei eingesetzten Legierungen der 6xxx-Serie erreichen ihre Festigkeit vor allem durch die Bildung von verfestigenden Ausscheidungen. Diese Ausscheidungen werden durch den Schweißprozess verändert, sodass sich ein Bereich mit verringerter Festigkeit um die Naht bildet. Durch Wärmebehandlungen der verschweißten Bauteile kann diese Entfestigung zumindest teilweise aufgehoben und die Belastbarkeit der Verbindung verbessert werden. Der vom Schweißprozess hervorgerufene überalterte Zustand in der Wärmeeinflusszone kann grundsätzlich nur durch Lösungsglühen und Auslagern vollständig rückgebildet werden. Sofern es aber neben der Überalterung zu einer partiellen Auflösung der Ausscheidungen kommt, ist es auch möglich einen Festigkeitszuwachs durch reines Warmauslagern zu erzielen. Dabei ist es bedeutsam, dass beim Rührreibschweißen im Gegensatz zum Schmelzschweißen, ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet wird, wodurch die aushärtbare Zusammensetzung in der Naht erhalten bleibt. Zur Untersuchung des festigkeitssteigernden Potentials dieser Wärmenachbehandlung wurden an Rührreibschweißungen verschiedene Warmauslagerungen durchgeführt und durch Zugversuche der Einfluss auf die statische Festigkeit ermittelt. Zusätzlich wurden Härteverläufe erstellt, welche die Auswirkungen auf die einzelnen Bereiche des Nahtquerschnittes zeigen. Bei der untersuchten Naht handelt es sich um eine doppelt geschweißte Rührreibschweißung an 18 mm dicken Profilen aus 6005A-T6. Weiters wurde versucht den Effekt durch thermo-kinetische Simulationen mit MatCalc nachzustellen. Die betrachtete Naht wurde dafür thermisch, mechanisch und mikrostrukturell charakterisiert, um Parameter und Vergleichswerte für die Berechnungen zu erhalten. Der maximal ermittelte Anstieg der Festigkeit konnte mit einer Lagerung der Proben bei 180 °C für sechs Stunden erzielt werden. Die Zugversuche zeigten dabei einen Anstieg der Dehngrenze der Schweißverbindung von 68 % bezogen auf die Festigkeit der unbehandelten Naht. Die Zugfestigkeit konnte nur in einem geringeren Ausmaß erhöht werden und die Härteverläufe machten erkenntlich, dass in lokalen Bereichen des Nahtquerschnittes die Entfestigung durch die Warmauslagerung nicht vollständig eliminiert werden kann. Die erreichbare Festigkeitssteigerung ist aufgrund der einfachen Nachbehandlung dennoch praktikabel und somit für technische Anwendungen interessant.

This thesis investigates the enhancement of the mechanical properties of friction stir welds on 6xxx aluminum alloys, which can be achieved by artificial ageing after welding. In addition to fusion welding, friction stir welding represents a beneficial method for joining aluminum parts in railway vehicle manufacturing. The 6xxx series alloys used here achieve their strength primarily through the formation of strengthening precipitates. These precipitates are altered by the welding process resulting in a softened region around the weld. This strength reduction can be at least partially reversed with post weld heat treatments leading to higher joint efficiency. The overaged condition in the heat affected zone caused by the welding process can only be completely reverted by solution heat treatment and ageing. However, if a partial dissolution of the precipitates occurs in addition to the overaging, it is also possible to achieve an increase in strength only by artificial ageing. At this point it is important to note that friction stir welding, in contrast to fusion welding, is performed without any filler metal and thus, the hardenable composition in the weld remains. To investigate the potential of the post weld heat treatment, various ageing treatments were carried out on friction stir welds and tensile tests were performed to determine the influence on the static strength. Moreover, hardness measurements were used to show the effects on the individual areas of the weld. The investigated weld is a double-welded friction stir weld on 18 mm thick extrusions made of 6005A T6. Furthermore, it was attempted to reproduce the effect with thermo-kinetic simulations using MatCalc. For this purpose, the weld was characterized thermally, mechanically and microstructurally in order to obtain parameters and comparative values for these calculations. The highest evaluated increase in strength was achieved by ageing the specimens at 180 °C for six hours. The tensile tests showed an increase in the yield strength of the joint of 68 % relative to the strength of the untreated weld. The tensile strength could only be increased by a lesser extent and the hardness curves show that in local areas of the weld cross section the softening cannot be completely reversed by plain ageing. Nevertheless, the achievable strength increase is practical due to the simple post treatment and thereby interesting for technical applications.